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1.2端粒酶的结构…………………………………………………………………………………2

2.端粒和端粒酶的功能、保护机制以及与衰老的关系………………2

2.1端粒的功能…………………………………………………………………………………2

2.1.1端粒和细胞衰老的关系……………………………………………………………4

2.1.2端粒长度和细胞衰老的关系…………………………………………………4

2.1.3端粒结合蛋白和衰老的系……………………………………………4

2.2端粒酶的功能…………………………………………………………………………4

2.2.1端粒酶和细胞衰老的关系………………………………………………………5

2.2.2端粒酶活性和细胞癌变的关系………………………………………………5

3.端粒和端粒酶的应用前景…………………………………………………………5

3.1肿瘤…………………………………………………………………………………5

3.2遗传性疾病………………………………………………………………………5

3.3抑制衰老…………………………………………………………………………6

4.结语…………………………………………………………………………………………6

参考文献………………………………………………………………………………………6

端粒和端粒酶是如何保护染色体的

姓名：

党少旭学号：

20075070170

院系：

生命科学专业：

生物科学

指导老师：

张伟职称：

讲师

摘要：

染色体是遗传物质基因的载体。

端粒和端粒酶在染色体复制过程中保证了遗传信息的完整性，成为现代生物学研究的热点。

端粒封闭了染色体的末端并维持了染色体的稳定性，端粒的缺失会引起染色体融合并导致细胞的衰老及死亡。

端粒酶的活化可延长染色体末端DNA，维持基因组的稳定。

文章综述端粒和端粒酶的结构和功能，及其保护染色体的机制，并在此基础上展望了两者在医学领域中的重大价值。

关键词：

端粒；

端粒酶；

保护机制

Abstract：

Chromosomeisthecarrierofgeneticmaterial.Telomeresandtelomerasewhichensuretheintegrityofgeneticinformationintheprocessofchromosomereplicationhavebecomeahotresearchofmodernbiology.Telomeresclosetheendofchromosomesandmaintainthestabilityofchromosomes;

telomerelosscancausechromosomalintegrationandleadtocellsenescenceanddeath.TelomeraseactivitymayextendtheendsofchromosomesDNAandmaintaingenomestability.Thisreviewdescribesthestructureandfunctionoftelomereandtelomeraseandhowtheyprotectmechanismsofchromosome.Onthisbasis,italsoprospectstheirgreatvalueinthemedicalfield.

Keywords:

telomere;

telomerase;

protection

前言

染色体DNA在半保留复制过程中，DNA沿5’-3’方向进行，RNA引物起始聚合反应，DNA聚合后，RNA引物被切除，DNA聚合酶发挥聚合作用填补缺口。

但DNA聚合酶不具备从头合成的能力和3’-5’方向的合成能力，这样5’末端引物切除后的空隙没法填补就导致了子代DNA中的1条链逐渐缩短，即所谓的“末端复制问题”。

细菌以环形复制方式来解决，而实际上真核生物线性DNA末端的复制是完整的。

DNA断端具有“黏”性，易于其他断端融合，而正常的染色体非常稳定。

因此，必定存在某一保护机制来解决DNA分子末端复制所出现的难题并防止染色体融合，经过长期研究发现，真核生物已经进化出特定的DNA序列和特定的酶来解决这些问题，即端粒和端粒酶可以保护染色体复制的完整性。

由于端粒和端粒酶与染色体保护、细胞衰老、肿瘤发生等现象密切相关，所以它也成为了科学家当前的研究热点。

1.端粒和端粒酶的结构

1.1端粒的结构

端粒位于真核生物线性染色体末端，是染色体末端的特化结构。

是染色体功能实现的3大要素（着丝粒、端粒和复制起点）之一。

由端粒DNA和端粒相关蛋白组成。

1.1.1端粒DNA

由简单重复的非编码序列组成。

Blackbrum等（1983）报道，四膜虫端粒是

5’-GGGGTT-3’的连续重复序列，并且每条染色体的端粒重复单位的重复次数不同。

而线虫的端粒具有5’-TTAGGC-3’的特征。

人的端粒重复序列是5’-TTAGGG-3’，重复长达15kb，具有一条单链富含GT的3’末端突出，被成为G链。

一般认为G链突出端存在于染色体的两个末端，这一特异的末端与特殊的末端结合蛋白所构成的结构是细胞区分自然末端和双链断裂的关[1]。

不同机体之间端粒重复亚单位数目各不相同，同一机体的不同细胞及同一细胞在不同时期的重复数也不相同。

如四膜虫一般有70个重复，而人的端粒则有2000个重复。

最近发现，端粒DNA末端与端粒结合蛋白形成的是环套结构而不是单纯的线性结构。

1.1.2端粒相关蛋白

端粒相关蛋白是直接或者间接与端粒相结合的蛋白。

Raplp白和Ku蛋白是2类具有重要意义的酵母端粒结合蛋白[2]。

端粒结合蛋白Raplp与端粒DNA形成非核小体结构。

Ku蛋白是由Ku70／Ku80形成的二聚体蛋白，缺失Ku蛋白的酵母在37℃培养时会使端粒异常变短，并出现衰老表型等现象。

迄今为止已经克隆的人类端粒相关蛋白主要有TRF1、TRF2、tankyrase和UP1等[3]。

1.2端粒酶的结构

端粒酶是一种蛋白颗粒。

一般认为端粒酶由端粒酶RNA（TR）、端粒酶相关蛋白和端粒酶催化亚基（TERT）3部分组成。

许多物种的TR已经被成功克隆，如纤毛虫、酵母、人和鼠等。

人的端粒酶RNA（hTR）为单拷贝基因，hTR模板序列为UAACCCUAAC[4]。

通过研究比较发现，不同物种TR间一级结构的同源性较低，但它们的二级结构非常相似，有4处发卡结构形成4个小的和1个大的环形单链区，端粒DNA的模板RNA即位于此区。

Creider等在四膜虫中分离出2种端粒酶相关蛋白亚单位p80和p95。

1997年在人、小鼠和大鼠中也克隆出了端粒相关蛋白TP1和TLP1。

TP1／TLP1的mRNA表达并不限于有端粒酶活性的组织和细胞系中，因此端粒酶活性的表达并不是由这一部分决定的[5]。

TERT最先在游扑虫中鉴定出来，随后在人、老鼠、酵母等有机体中分别鉴定和克隆。

基因组数据库（GDP）已批准把人类的端粒酶催化亚基统称为hTERT，这个基因被不同的科研小组分别克隆出来并分别命名，如hTRT、hEST2等。

hTERT基因位于5p15.33，长度约为40kb，由16个外显子和15个内含子组成。

从游扑虫到人类端粒酶催化亚基的结构都非常相似，它们都含有端粒酶特有的基元T和7个保守的反转录基元。

2.端粒和端粒酶的功能、保护机制以及与衰老的关系

2．1端粒的功能

端粒的功能主要在于维持染色体的稳定，抑制染色体之间的融合或染色体的降解，参与核中的一系列与细胞增殖有关的活动，并与细胞的衰老有关。

ElizabethBlackburn和JackSzostak两位科学家在上世纪80年代初发现了端粒能够保护染色体末端,并且这种保护作用具有进化保守性,但具体机制当时并不清楚。

经过20多年的研究,科学家已经对端粒的结构和功能有了更为深刻的理解。

以下仅以哺乳动物的端粒[6]介绍。

哺乳动物端粒重复序列（AGGG/AATCCC）,其中G链3’端是一段单链的悬,C链5’端以序列（ATC）结束。

电镜观察发现,端粒结构是一个双环结构,称为T环（Tloop）,3’端的悬突替代G链的一段序列与C链配对,形成D环（Dloop）,T环的形成使得染色体的末端被包裹保护起来而免遭破坏[10]。

哺乳动物的端粒与一个6种蛋白构成的复合物shelterin结合,这6种蛋白分别为TRF1、TRF2、POT1、TIN2、Rap1和TPP1。

TRF1和TRF2（telomericrepeatbindingfactor1and2）能够识别并结合双链重复序列上5’-YTAGGGTTR-3’序列,POT1（protectionoftelomeres1）则能识别并结合3’端悬突和D环上单链重复序列上的5’-（T）TAGGGTTAG-3’序列,上述三种蛋白保证了shelterin能够特异性识别染色体上的端粒并与之结合。

另外,TRF1和TRF2还能结合另外四种蛋白质:

TIN2（TRF22andTRF12interactingnuclearprotein2）、Rap1（repressor/activatorprotein1）、TPP1和POT1,共同构成一个稳定的复合体。

端粒的重要作用之一是保护染色体末端不发生融合,这其中,Shelterin发挥着关键作用。

目前的研究表明,Shelterin主要有以下三方面的作用:

（1）保持端粒G链3’端悬突的稳定,决定C链5’端以序列（ATC）结束;

（2）阻止端粒酶对端粒的过度延长作用,使端粒维持在一个合适的长度;

（3）促使端粒3’端悬突反折插入端粒双链部分,形成T环和D环结构。

通过上述三方面的作用,Shelterin保证了端粒结构的完整,避免染色体末端发生非同源性末端连（nohomologousendjoining,NMEJ）,维持了基因组的稳定性[7]。

端粒的另一个重要作用是能阻止细胞对染色体末端的DNA损伤反应（DNAdamageresponse）。

当哺乳动物的染色体出现双链断端时,细胞会启动ATM（ataxia-telangiectasiamutated）激酶路径进行DNA修复,而出现单链DNA损伤时则启动ATR（ataxiatelangiectasia2andRad32related）激酶路径进行修复。

ATR激酶和ATM激酶识别基因组中存在的DNA损伤,激活Chk1和Chk2激酶,Chk1和Chk2激酶不仅可以抑制Cdc25磷酸酶,从而抑制Cdks的激活,还能辅助ATM激酶和ATR激酶激活p53,p53进一步激活p21,p21再抑制Cdks的激活,这样就使细胞周期停留在G1/S或G2/M阶段。

细胞周期停滞保证了细胞有足够的时间修复损伤的DNA分子。

如果没有Shelterin辅助染色体末端形成T环,那么暴露的悬突和断端就会启动DNA损伤反应,激活ATM激酶和ATR激酶路径,阻断细胞周期的前进,引起细胞衰老或凋亡[8]。

在大多数正常人的体细胞中，端粒DNA会随着每次细胞有丝分裂而缩短，当其缩短到一定程度以后，编码区基因被破坏就丧失了对染色体末端的保护能力。

与此相反，在永生化细胞包括癌细胞中，端粒的长度是相对稳定的。

细胞愈年轻，端粒愈长；

细胞愈老，端粒愈短。

2.1.1端粒和细胞衰老的关系

Muller等（1938）首先发现位于染色体末端的端粒是维持染色体完整所必需的。

但是由于“末端复制问题”[9]的存在，端粒DNA势必逐渐缩短以至于使细胞失去增殖能力而老化。

2.1.2端粒长度和细胞衰老的关系

端粒长度的维持处在一种精确的竞争平衡之中，一方面端粒由于DNA末端复制、端粒的加工和端粒的重组等原因而缩短，另一方面端粒酶的催化作用、端粒的特异性扩增（AIT）等因素又使其延长。

与端粒长度和细胞衰老有关的最有力的试验证据来自于人类的成纤维细胞，年轻人成纤维细胞内端粒的平均长度为18～25kb，而老年人成纤维细胞内端粒的平均长度为8～10kb，估计细胞每分裂1次，端粒缩短50～100bp。

Lang等（1998）提出，在口角质化形成细胞中正常细胞的复制衰老是端粒酶失活造成的，而没有端粒缩短的现象发生。

这表明细胞的衰老并不一定伴随着端粒的缩短；

Lundblad（2002）通过对2种出芽酵母的研究结果发现，在端粒酶失活的情况下，严重缩短的端粒可通过RAD50和RAD51融合途径填充端粒DNA富含G的片段以维持端粒的功能。

说明端粒长度的变化与细胞衰老问并不具备一种必然的关系。

2.1.3端粒结合蛋白和衰老的关系

端粒结合蛋白对端粒具有保护作用，在一定程度上可以维持端粒的稳定从而抑制细胞的复制衰老。

TRF2和端粒内的环套结构均对端粒具有保护作（Lange等，2002）[10]。

Saito等（2002）通过对乳腺癌病人的研究结果发现，编码TRF1和TRF2的mRNA的表达，非癌组织较癌组织显著，端粒酶活性低的癌细胞较端粒酶活性高的表达显著。

Karlseder等（1999）报道在人类早期细胞中过量表达TRF2会增加端粒缩短的速率而不加速衰老，TRF2减少了端粒4～7kb上的衰老调控点。

TRF2在端粒显著缩短的情况下可以通过抑制端粒和染色体的融合，以达到延迟细胞衰老的作用。

此外，当端粒缩短到某一临界点时TRF2便在端粒上消失。

Kishi等（2002）发现Pin2／TRF1的突变体在A—T细胞可以增加端粒的长度，减少其放射敏感性，并弥补G

（2）／M调控点的缺陷，但不能纠正S期调控点的缺陷[11]。

表明在A—T细胞中Pin2／TRF1的阻断可以避开细胞的ATM凋亡。

2.2端粒酶的功能

端粒酶的功能主要在于合成染色体末端的重复序列，催化端粒延伸,以维持端粒的长度和稳定性。

端粒酶不但可以维持已经存在的端粒DNA，同时端粒酶反转录酶能够识别断裂染色体的末端，重新将端粒重复序列加到染色体的断裂末端或非端粒DNA上。

端粒酶以RNA为模板，在TERT的作用下催化合成端粒DNA[12]。

其结构和催化机制都与逆转录酶相似，人们因此也把它归属于逆转录酶家族。

2.2.1端粒酶和细胞衰老的关系

细胞衰老过程中的作用主要体现在2个方面，一方面，大多数正常的人体细胞缺乏hTERT而没有端粒酶活性，使得细胞的端粒逐渐缩短而最终衰老。

另一方面，hTERT在正常二倍体细胞中表达使其传代次数大大增加而没有癌化特征。

Bodnar等在2种人类端粒酶负责表达的体细胞（视网膜色素上皮细胞和包皮呈纤维细胞）中已经表达了hTERT基因，研究结果表明，hTERT载体的克隆在这些细胞中表达了端粒酶的活性，并使他们的寿命延长了至少20代。

且细胞衰老的生物学标记B一半乳糖苷酶的表达也显著减少[13]。

而细胞的核型保持正常。

这些结论也进一步被Jing（1999）和Morales（1999）的试验所证实。

而且在正常的人体细胞中适当地激活端粒酶活性可延长细胞的寿命并有抗衰老的作用。

2.2.2端粒酶活性和细胞癌变的关系

端粒酶活性和细胞癌变的关系有正反2方面的证据，一方面，在约84％～95％恶性肿瘤细胞中可检测到端粒酶活性，而良性肿瘤及正常组织的检出率只有4％左右。

另一方面，抑制端粒酶活性不合时机的表达可以抑制肿瘤细胞的生长,甚至引起癌细胞的凋亡。

最近的研究结果表明，细胞的衰老可能是一种抑制癌变的机制，但随着年龄的增加，衰老细胞的积累与变异协同作用会不可避免地引发癌症。

另外，在少数正常的人体细胞如精子、早期胚胎细胞、淋巴细胞、皮肤表皮细胞、内皮细胞中都可检测到端粒酶活性。

这些均表明端粒酶活性的表达本身并不是致癌的。

3.端粒和端粒酶的应用前景

根据端粒、端粒酶的结构和功能，可推知端粒酶在肿瘤的诊断、治疗和抑制衰老等领域有着光明的应用前景，并对一些遗传性疾病的研究具有重大价值。

3.1肿瘤

　绝大多数的人体正常细胞中是没有端粒酶的,随着细胞分裂次数的增加,端粒逐渐缩短。

细胞发育到一定阶段后,端粒功能异常而不再保护染色体末端,这时就会启动DNA损伤反应,引导细胞走向衰老或凋亡,避免了产生有癌变倾向的基因突变细胞。

因此,对于正常细胞,端粒短缩是保护细胞不发生癌变的重要机制。

前已述及,DNA损伤反应过程依赖于p53的作用,而在大多数的肿瘤细胞中均有p53基因突变,使得存在基因异常的细胞可以无限增殖,最终发生癌变[16]。

在许多恶性肿瘤细胞中端粒长度异常增加,其中约85%的细胞是由于端粒酶的活性增强,过度延伸端粒造成,而在其余约15%的肿瘤细胞中则是通过端粒延伸替代机制（alternativelengtheningoftelomeres,ALT）维持端粒的长度[17],超长的端粒使得肿瘤细胞获得了无限增殖的能力。

3.2遗传性疾病

研究发现,一些遗传性疾病的发病机制是由于端粒或端粒酶的功能异常引起的,如先天性角化不良、获得性再生障碍性贫血和家族性特发性肺纤维化等。

再生障碍性贫血（alacticanemia,AA）是一种免疫介导的获得性骨髓衰竭综合征,主要表现为全血细胞减少。

研究发现有1/3患者体内白细胞的端粒长度短于正常,表明端粒异常是部分患者的起病原因。

现已有4%的患者被检测出有hTERC基因突变,4%的患者有hTERT基因突变,而另一小部分患者则有TERF1基因（编码TRF1蛋白）和TERF2基因（编码TRF2蛋白）的突变,这些基因突变均与端粒异常缩短有关[18]。

3.3抑制衰老

当端粒酶催化亚基基因在转入细胞内即能延长细胞寿命又不影响细胞的其它正常功能时，延长寿命的细胞就能有效的抑制衰老，如皮肤的老化、肌肉的退缩和动脉硬化等。

在体外延长细胞的寿命同样具有非常重要的意义，经过端粒酶处理的年轻化的细胞在生物研究、制药和医学等方面都将有广阔的应用前景。

4.结语

总之，端粒、端粒酶已成为当今最引人注目的研究热点之一，虽然在人类端粒及端粒酶的基础研究中，还存在着许多难点，如：

人端粒末端的精细结构，端粒的非端粒酶延伸机制；

人端粒酶的具体结构及其基因所在的位置；

端粒酶的激活机制及其活性调节等，均有待于回答。

尽管如此，我们似乎仍看到了前景的美好。

人们对于端粒抑制剂的研究已经蓬勃的展开了，进一步研究端粒酶的活性调节机制，对于开发新型延缓衰老的端粒酶抑制剂无疑具有重要意义。

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学年论文（设计）成绩评定表

评语

论文选材新颖，重点突出。

染色体DNA在半保留复制过程中，DNA沿5’-3’方向进行，RNA引物起始聚合反应，DNA聚合后，RNA引物被切除，DNA聚合酶发挥聚合作用填补缺口。

但DNA聚合酶不具备从头合成的能力和3’-5’方向的合成能力，这样5’末端引物切除后的空隙没法填补就导致了子代DNA中的1条链逐渐缩短，即所谓的“末端复制问题”。

端粒的功能主要在于维持染色体的稳定，抑制染色体之间的融合或染色体的降解，参与核中的一系列与细胞增殖有关的活动，并与细胞的衰老有关。

端粒酶催化端粒延伸，合成染色体末端的重复序列，以维持端粒的长度和稳定性。

从而解决了DNA分子末端复制所出现的难题并防止染色体融合，在生物研究、制药和医学等方面都将有广阔的应用前